hfss簡(jiǎn)介

　　經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，HFSS以其無(wú)以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳播、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)和程序，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)成本和素材，減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件，目前已被ANSYS公司收購(gòu);是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶(hù)設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS，可以計(jì)算：① 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開(kāi)邊界問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題；② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③ S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④ 結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。

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　　經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，HFSS以其無(wú)以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳播、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)和程序，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)成本和素材，減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件，目前已被ANSYS公司收購(gòu);是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶(hù)設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS，可以計(jì)算：① 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開(kāi)邊界問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題；② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③ S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④ 結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。

　　HFSS是當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最流行的設(shè)計(jì)軟件。

　　微波器

　　HFSS能夠快速精確地計(jì)算各種射頻/微波部件的電磁特性，得到S參數(shù)、傳播特性、高功率擊穿特性，優(yōu)化部件的性能指標(biāo)，并進(jìn)行容差分析，幫助工程師們快速完成設(shè)計(jì)并把握各類(lèi)器件的電磁特性，包括：波導(dǎo)器件、濾波器、轉(zhuǎn)換器、耦合器、功率分配/合成器，鐵氧體環(huán)行器和隔離器、腔體等。

　　電真空器

　　在電真空器件如行波管、速調(diào)管、回旋管設(shè)計(jì)中，HFSS本征模式求解器結(jié)合周期性邊界條件，能夠準(zhǔn)確地仿真器件的色散特性，得到歸一化相速與頻率關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)分布，包括H場(chǎng)和E場(chǎng)，為這類(lèi)器件的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)手段。

　　天線、天線罩及天線陣設(shè)計(jì)仿真

　　HFSS可為天線及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面的仿真功能，精確仿真計(jì)算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場(chǎng)/近場(chǎng)輻射方向圖、天線增益、軸比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場(chǎng)分布、天線阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等。

　　目標(biāo)特性研究和RCS仿真

　　高速互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　隨著頻率的不斷提高和信息傳輸速度的不斷提高，互連結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響已經(jīng)成為制約設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵因素。MMIC、RFIC、或高速數(shù)字系統(tǒng)需要精確的互聯(lián)結(jié)構(gòu)特性分析參數(shù)抽取、HFSS能夠自動(dòng)和精確地提取高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)、片上無(wú)源不見(jiàn)及版圖寄生效應(yīng)。

　　光電器件仿真設(shè)計(jì)

　　HFSS的應(yīng)用頻率能夠達(dá)到光波波段、精確仿真光電器件的特性。

　　如何學(xué)好HFSS

　　這個(gè)也是大家在學(xué)習(xí)HFSS之前比較關(guān)心的問(wèn)題，HFSS是一款專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的軟件，因此肯定不會(huì)像word之類(lèi)的常用軟件一樣拿到手就會(huì)用，需要具備一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。用戶(hù)在學(xué)習(xí)之前需要了解的基礎(chǔ)知識(shí)包括：基礎(chǔ)微波技術(shù)知識(shí)、電磁場(chǎng)基本理論、S參數(shù)相關(guān)知識(shí)等。

　　當(dāng)然，個(gè)人認(rèn)為大家既然希望學(xué)習(xí)HFSS，肯定都是打算用來(lái)設(shè)計(jì)分析某一類(lèi)問(wèn)題，比如你是打算學(xué)習(xí)HFSS用于設(shè)計(jì)濾波器，那么濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)你應(yīng)該掌握了；或者你是打算學(xué)習(xí)HFSS用于設(shè)計(jì)天線，那么天線的基礎(chǔ)知識(shí)你應(yīng)該掌握了。這也就足夠了，不用再去為學(xué)習(xí)哪些基礎(chǔ)知識(shí)而煩惱，打開(kāi)HFSS，大膽地用起來(lái)，所謂實(shí)踐出真知，在用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些操作或設(shè)置自己搞不明白，此時(shí)再有針對(duì)性地去看相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，效果會(huì)更好。如果為了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)而學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，常常是太多東西要學(xué)，不知從哪里入手了。借用耐克的一句廣告用語(yǔ)：“Just do it！”

　　還有一個(gè)問(wèn)題，既然HFSS使用有限元算法（FEM），那么用戶(hù)在使用HFSS之前是否需要專(zhuān)門(mén)去學(xué)習(xí)有限元算法的知識(shí)呢？我的意見(jiàn)是可以不用去學(xué)習(xí)，HFSS是把算法完全封裝起來(lái)的，用戶(hù)界面完全接觸不到，需要用戶(hù)做的只是設(shè)置幾個(gè)相關(guān)的參數(shù)，然后剩下的完全由軟件自動(dòng)完成。當(dāng)然，學(xué)習(xí)過(guò)程中，用戶(hù)可以花1~2個(gè)小時(shí)的時(shí)間簡(jiǎn)單看一下電磁有限元算法是怎么回事，這樣可以有助于理解HFSS的求解設(shè)置項(xiàng)中一些相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

　　現(xiàn)在的HFSS采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶(hù)界面，界面還是相當(dāng)友好的，學(xué)習(xí)起來(lái)也不會(huì)太難。學(xué)習(xí)HFSS，首先要搞清楚HFSS的設(shè)計(jì)分析流程，HFSS設(shè)計(jì)流程可以歸納為：選擇求解類(lèi)型→創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型→分配邊界條件和端口激勵(lì)→求解設(shè)置→運(yùn)行仿真分析→數(shù)據(jù)后處理查看分析結(jié)果。另外在HFSS中還有一個(gè)Optimetrics模塊，使用該模塊可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　在剛開(kāi)始學(xué)習(xí)時(shí)，大家可以先找一個(gè)例子，照貓畫(huà)虎跟著做兩遍；或者找一套完整的視頻課程，從頭到尾看一遍；這個(gè)過(guò)程，有不懂的地方?jīng)]關(guān)系，不懂的問(wèn)題放一邊，堅(jiān)持看完。剛開(kāi)始的這一過(guò)程的目標(biāo)是對(duì)HFSS建立一個(gè)總體的認(rèn)知并對(duì)HFSS設(shè)計(jì)流程建立簡(jiǎn)單的了解。

　　對(duì)HFSS有了總體認(rèn)知和簡(jiǎn)單地了解了HFSS的整個(gè)設(shè)計(jì)流程后，接下來(lái)再去認(rèn)真地學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)流程中每一步的具體操作、具體設(shè)置、并搞清楚為什么要這樣去進(jìn)行設(shè)置和操作。

　　對(duì)于求解類(lèi)型，需要搞清楚Driven Modal（模式驅(qū)動(dòng)求解）、Driven Terminal（終端驅(qū)動(dòng)求解）和Eigen Mode（本征模求解）這三者的區(qū)別和適用條件。

　　對(duì)于創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型，需要熟練掌握各種原型物體的創(chuàng)建、各種建模操作——如旋轉(zhuǎn)、復(fù)制、移動(dòng)、布爾操作等的應(yīng)用，以及模型材質(zhì)的添加和分配等。

　　關(guān)于邊界條件和端口激勵(lì)的設(shè)置，是HFSS應(yīng)用和學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)；“邊界條件決定場(chǎng)”，正確地理解和使用邊界條件是正確使用HFSS仿真分析電磁問(wèn)題的前提；HFSS中定義了多種邊界條件，大家在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須認(rèn)真的弄清楚各個(gè)邊界的定義、應(yīng)用場(chǎng)合和如何正確使用。關(guān)于邊界條件的理解掌握和正確地設(shè)置和使用，需要一些電磁學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)。關(guān)于端口激勵(lì)的設(shè)置和使用，大家重點(diǎn)掌握波端口激勵(lì)（wave port）和集總端口激勵(lì)（lumped port）這兩種激勵(lì)類(lèi)型，這是HFSS最常用到的兩種激勵(lì)類(lèi)型，大家在學(xué)習(xí)是需要領(lǐng)會(huì)二者之間的異同點(diǎn)。總之邊界條件和激勵(lì)是HFSS應(yīng)用中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于初學(xué)者，需要花更多的精力搞清楚兩方面的相關(guān)知識(shí)。

　　對(duì)于求解設(shè)置，主要添加和設(shè)置求解頻率、掃頻頻率范圍、網(wǎng)格剖分操作等參數(shù)。求解頻率和掃頻頻率范圍會(huì)和實(shí)際設(shè)計(jì)相關(guān)；網(wǎng)格剖分操作會(huì)設(shè)計(jì)到有限元算法的一些基本概念，了解有限元算法的基本概念，會(huì)有助于對(duì)網(wǎng)格剖分設(shè)置參數(shù)的理解。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)后處理部分，主要用于查看仿真分析后的各項(xiàng)分析結(jié)果的，學(xué)習(xí)時(shí)大家需要搞清楚HFSS具體可以查看哪些分析結(jié)果，理解每項(xiàng)分析結(jié)果的含義，以及如何查看相應(yīng)的分析的結(jié)果。

　　最后，關(guān)于Optimetrics模塊，它是HFSS中用于優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)掃描分析的工具，借助于Optimetrics模塊中的各項(xiàng)功能可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析設(shè)計(jì)模型參數(shù)的變化對(duì)設(shè)計(jì)模型性能的影響，并能夠在設(shè)計(jì)模型不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，找出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的模型參數(shù)。要使用Optimetrics模塊進(jìn)行參數(shù)掃描分析或者優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要?jiǎng)?chuàng)建參數(shù)化的模型——即定義一系列的變量來(lái)表示模型的尺寸。所以關(guān)于該模塊使用的學(xué)習(xí)，不僅要學(xué)習(xí)參數(shù)掃描分析或優(yōu)化設(shè)計(jì)本身的相關(guān)設(shè)置和使用操作，還需要學(xué)習(xí)變量的定義和使用，以及參數(shù)化模型的創(chuàng)建。